摘要 基于常規(guī)減隔震技術(shù)在連續(xù)剛構(gòu)橋減隔震設(shè)計(jì)中無(wú)法取得良好效果的局限性，對(duì)高烈度深水庫(kù)區(qū)的連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行了地震時(shí)程分析，分別計(jì)算不同水深條件下采用搖擺提離式基礎(chǔ)減隔震裝置前后的橋墩地震響應(yīng)，分析不同水深條件下墩頂位移、墩底彎矩、墩底剪力等參數(shù)的減震率，得出搖擺提離式基礎(chǔ)的減隔震規(guī)律和抗震設(shè)計(jì)關(guān)鍵控制指標(biāo)。

　　關(guān)鍵詞 減隔震;提離式基礎(chǔ);連續(xù)鋼構(gòu);抗震設(shè)計(jì);橋墩

　　引言

　　為開(kāi)發(fā)豐富的水電資源，我國(guó)西南地區(qū)大江大河中修建了大量的水電站，隨之形成了大量深水庫(kù)區(qū)橋梁，而且這些西部庫(kù)區(qū)深水橋梁所在的地域多處于地震多發(fā)區(qū)。研究表明，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，由于動(dòng)水等效附加質(zhì)量的影響，結(jié)構(gòu)的自振頻率將減小，橋墩與主梁的內(nèi)力與位移普遍增大，動(dòng)水作用對(duì)抗震是不利的[1]，橋梁將處于更不利的抗震狀態(tài)。

　　雖然目前減隔震技術(shù)可以通過(guò)設(shè)置減隔震裝置來(lái)延長(zhǎng)周期，增大阻尼以耗散能量，并利用隔震體系，設(shè)法阻止或減少地震能量傳入到主體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而避免結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷[2]。但是對(duì)于剛構(gòu)橋這種墩梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式，常規(guī)的在過(guò)渡墩處安裝阻尼器、減隔震支座等減隔震裝置的抗震技術(shù)對(duì)于全橋的減隔震效果相當(dāng)有限，無(wú)法對(duì)橋墩起到良好的保護(hù)效果。

　　因此研究分析搖擺提離式基礎(chǔ)這種新式減隔震裝置的在剛構(gòu)橋上的減隔震效果，對(duì)于提高剛構(gòu)橋的抗震能力具有非常重要的意義。

　　1 搖擺提離式基礎(chǔ)減隔震機(jī)理

　　近年來(lái)，搖擺提離式基礎(chǔ)的提出為連續(xù)剛構(gòu)橋的減隔震帶來(lái)了新的思路和方案。搖擺提離式基礎(chǔ)主要將地震動(dòng)從橋墩底部隔離，隔震裝置可以由橋墩自身來(lái)完成[3]。要求正常使用及多遇地震作用下不發(fā)生提離，此時(shí)橋墩與基礎(chǔ)看成一個(gè)不分離的整體。多遇地震下的內(nèi)力可與傳統(tǒng)墩一樣，按反應(yīng)譜法或時(shí)程分析法進(jìn)行計(jì)算;罕遇地震下通過(guò)橋墩的提離搖擺耗散地震能量，既能在一定程度上減弱地震對(duì)橋墩及上部構(gòu)件的破壞，也能通過(guò)橋墩自重及其他豎向初始力保證橋墩的自復(fù)位功能[4]。同時(shí)，加設(shè)限位耗能鋼筋可減少墩頂位移，提高搖擺隔震橋墩的整體側(cè)向剛度。在多遇地震作用下，限位鋼筋不拉斷;在罕遇地震作用下，鋼筋拉斷實(shí)現(xiàn)自由搖擺，如圖1所示。在地震下不產(chǎn)生損傷，既保護(hù)了橋墩也保護(hù)了基礎(chǔ)，大大降低了震后的修復(fù)難度及費(fèi)用。

　　2 工程背景

　　依托工程小江大橋位于白鶴灘水電站庫(kù)區(qū)內(nèi)，主橋?yàn)?70+5×120+70)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，主梁采用C55混凝土，采用三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。主橋橋墩墩身采用C40雙肢實(shí)心墩，墩高80～90 m。下部基礎(chǔ)采用承臺(tái)接群樁基礎(chǔ)。其具體布置見(jiàn)圖2所示。地震動(dòng)峰值加速度0.30 g，反應(yīng)譜特征周期0.45 s，抗震設(shè)防烈度Ⅷ度。白鶴灘水電站蓄水后，主墩最高淹沒(méi)水深為69～79 m。

　　3 搖擺提離式基礎(chǔ)減隔震效應(yīng)分析

　　3.1 模型計(jì)算分析參數(shù)

　　該文采用有限元分析軟件對(duì)小江大橋進(jìn)行時(shí)程分析，基于流固耦合理論的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，其中，橋墩和水體分別采用3D-Solid單元、3D-Fluid單元模擬[5]。地震波加載方向?yàn)轫槝蛳颍?0倍橋墩尺寸寬度的水體，橋墩底部采用僅能受壓的link10單元模擬提離彈簧，提離彈簧的剛度k=1×107 kN/m，阻尼系數(shù)c為1 820 kN·s/m，彈簧底部固結(jié)。

　　為了分析水深、減隔震裝置對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，采用無(wú)量綱參數(shù)R表示橋墩各動(dòng)力響應(yīng)減震率：

　　式中，R——橋墩地震動(dòng)力響應(yīng)(包括墩頂最大水平位移、墩底最大剪力、墩底最大彎矩等)減小率;

　　D0——在未安裝減隔震裝置時(shí)橋墩在不同水深條件下的地震動(dòng)力響應(yīng)(包括墩頂最大水平位移、墩底最大剪力、墩底最大彎矩等);

　　Di——在設(shè)置搖擺提離式基礎(chǔ)減隔震裝置后橋墩在不同水深條件下的地震動(dòng)力響應(yīng)(包括墩頂最大水平位移、墩底最大剪力、墩底最大彎矩等)。

　　3.2 計(jì)算結(jié)果分析

　　分別計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)在無(wú)水、45 m水深、75 m水深狀態(tài)下未采取減隔震裝置的地震響應(yīng)和采取搖擺提離式基礎(chǔ)后的地震響應(yīng)，對(duì)減震前后的地震響應(yīng)進(jìn)行比對(duì)分析。

　　3.2.1 縱橋向墩頂位移

　　如圖3及表1所示，引入提離式基礎(chǔ)后，各墩墩頂最大位移在無(wú)水工況下均有所增加，其中，1#邊墩墩頂位移增大7.1 mm，增幅達(dá)到22.725%，中墩墩頂位移也被放大，但增幅小于邊墩，5#中墩墩頂位移增幅最小，但仍達(dá)到16.314%;由此表明，采用提離式基礎(chǔ)降低了墩底剛度，放大了結(jié)構(gòu)的墩頂位移，采用提離式基礎(chǔ)的橋梁應(yīng)把墩頂位移作為一個(gè)重要控制指標(biāo)。

　　采用提離式基礎(chǔ)的連續(xù)剛構(gòu)橋在水深45 m、75 m的工況下，每個(gè)單墩墩頂位移的減震率如表1所示。采用提離式基礎(chǔ)的連續(xù)剛構(gòu)橋，邊墩的墩頂位移增幅稍大于中墩，隨水深的增加，各橋墩墩頂位移的增幅逐漸減小，當(dāng)淹沒(méi)水深達(dá)到75 m時(shí)，其增幅約為無(wú)水工況的1/2，但邊墩墩頂位移增幅仍略大于中墩。這是由于水增大了結(jié)構(gòu)的阻尼，降低了結(jié)構(gòu)自振頻率，減小了由提離式基礎(chǔ)引起的部分墩頂位移。

　　3.2.2 縱橋向墩底剪力

　　如表2所示，引入提離式基礎(chǔ)后，各墩的墩底剪力極值均出現(xiàn)明顯減小，其中6#邊墩降幅最大，剪力極值減小約17.5%，4#中墩降幅最小，剪力極值減小約12.6%。由于提離式基礎(chǔ)沒(méi)有固定的自振頻率，不會(huì)出現(xiàn)與地震主頻同頻的共振現(xiàn)象，由此表明，無(wú)水工況下采用提離式基礎(chǔ)可以有效減小橋墩墩底剪力，具有明顯的減震效果。

　　采用提離式基礎(chǔ)的連續(xù)剛構(gòu)橋在水深45 m、75 m的工況下，其縱橋向墩底剪力均小于采用普通基礎(chǔ)的連續(xù)剛構(gòu)橋，采用提離式基礎(chǔ)對(duì)邊墩的縱橋向墩底剪力的減震效果略好于中墩。隨水深的增加，提離式基礎(chǔ)對(duì)縱橋向墩底剪力的減震效果逐步下降，當(dāng)水深達(dá)到75 m時(shí)，6#邊墩的減震率約為9%，小于45 m水深和無(wú)水工況下的12%和17.46%，3#中墩減震率僅為5.25%，減震效果小于淺水工況。由此表明，提離式基礎(chǔ)對(duì)縱橋向墩底剪力的減震效果將隨著水深的增加而逐步減小。

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